Piattaforma di sintesi automatizzata nel Molecule Marker Lab. Credito:Università dell'Illinois Urbana-Champaign
Un team interdisciplinare dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign (UIUC) ha dimostrato un importante passo avanti nell'utilizzo della sintesi automatizzata per scoprire nuove molecole per applicazioni di elettronica organica.
La tecnologia che ha consentito la scoperta si basa su una piattaforma automatizzata per una rapida sintesi molecolare su larga scala, che è un punto di svolta nel campo dell'elettronica organica e oltre. Utilizzando la sintesi automatizzata, il team è stato in grado di scansionare rapidamente una libreria di molecole con strutture definite con precisione, scoprendo così, tramite esperimenti di caratterizzazione di una singola molecola, un nuovo meccanismo per l'elevata conduttanza. Il lavoro è stato appena segnalato in Nature Communications ed è il primo grande risultato emerso dal Molecule Maker Lab, che si trova presso il Beckman Institute for Advanced Science and Technology presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign.
La conduttanza inaspettatamente alta è stata scoperta negli esperimenti guidati da Charles M. Schroeder, che è il professore di economia di James in scienze dei materiali e ingegneria e professore di ingegneria chimica e biomolecolare. L'obiettivo del progetto era cercare nuove molecole con una forte conduttività che potessero essere adatte all'uso nell'elettronica molecolare o nelle applicazioni di elettronica organica. L'approccio del team è stato quello di aggiungere sistematicamente molte diverse catene laterali alle strutture molecolari per capire come le catene laterali influissero sulla conduttanza.
La prima fase del progetto è consistita nella sintesi di un'ampia libreria di molecole da caratterizzare utilizzando esperimenti di elettronica a singola molecola. Se la sintesi fosse stata eseguita con metodi convenzionali, sarebbe stato un processo lungo e macchinoso. Questo sforzo è stato evitato grazie all'uso della piattaforma di sintesi automatizzata del Molecule Maker Lab, progettata per facilitare la ricerca sulla scoperta molecolare che richiede il test di un gran numero di molecole candidate.
Edward R. Jira, un dottorato di ricerca studente in ingegneria chimica e biomolecolare che ha avuto un ruolo di primo piano nel progetto, ha spiegato il concetto della piattaforma di sintesi. "La cosa davvero potente... è che sfrutta una strategia basata su blocchi predefiniti in cui tutte le funzionalità chimiche a cui siamo interessati sono precodificate in blocchi costitutivi stabili al banco e puoi avere una vasta libreria di loro seduti su uno scaffale", ha detto. Un singolo tipo di reazione viene utilizzato ripetutamente per accoppiare gli elementi costitutivi insieme secondo necessità e "poiché disponiamo di questa libreria di blocchi costitutivi diversificata che codifica molte funzionalità diverse, possiamo accedere a una vasta gamma di strutture diverse per applicazioni diverse".
Come ha detto Schroeder, "Immagina di mettere insieme i Lego".
Il coautore Martin D. Burke ha esteso l'analogia con i mattoncini Lego per spiegare perché il sintetizzatore era così prezioso per gli esperimenti, e non solo per la rapida produzione della libreria molecolare iniziale. "Grazie all'approccio simile ai Lego per creare queste molecole, il team è stato in grado di capire perché sono super veloci", ha spiegato. Una volta scoperto lo stato sorprendentemente veloce, "usando i 'Lego', potremmo smontare le molecole pezzo per pezzo e scambiare diversi mattoncini 'Lego', e quindi comprendere sistematicamente le relazioni struttura/funzione che hanno portato a questa conduttività ultraveloce. "
dottorato di ricerca la studentessa Jialing (Caroline) Li, esperta nella caratterizzazione elettronica di singole molecole che ha studiato le molecole generate dal sintetizzatore, ha spiegato l'essenza della scoperta della conducibilità. "Abbiamo osservato che le catene laterali hanno un enorme impatto su come si comporta la molecola e su come ciò influisce sull'efficienza del trasporto di carica attraverso l'intera molecola", ha affermato. In particolare, il team ha scoperto che le giunzioni molecolari con lunghe catene laterali alchiliche hanno una conduttanza inaspettatamente elevata, che dipende dalla concentrazione. Hanno anche scoperto il motivo dell'elevata conduttività:le lunghe catene laterali alchiliche promuovono l'adsorbimento superficiale (la capacità della molecola di aderire a una superficie), che si traduce in planarizzazione (in effetti, appiattimento) delle molecole in modo tale che gli elettroni possano fluire attraverso loro in modo più efficiente.
Burke, che è il professore di May e Ving Lee per l'innovazione chimica e un professore di chimica, ha definito l'approccio dei mattoni un "uno-due pugno":rende la piattaforma "un potente motore sia per scoprire la funzione, sia per poi comprendere il funzione."
La scoperta della conduttanza rappresenta un progresso significativo per il campo dell'elettronica organica.
"Le interfacce semiconduttore-metallo sono onnipresenti nei dispositivi elettronici. La sorprendente scoperta di uno stato di alta conduttanza indotto dalle interfacce metalliche può aprire la strada a un nuovo design molecolare per un'iniezione e una raccolta di carica altamente efficienti in un'ampia gamma di applicazioni elettroniche", ha affermato il co- autore Ying Diao, IC Gunsalus Scholar, Dow Chemical Company Faculty Scholar e professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare.
Schroeder ha spiegato che i materiali elettronici organici hanno molteplici vantaggi. Per cominciare, il loro uso evita la necessità di metalli o altri componenti elettronici inorganici. Ma l'elettronica organica offre anche molto di più:deformazione e proprietà elastiche che possono essere vitali per alcune applicazioni, come dispositivi medici impiantabili che potrebbero piegarsi e flettersi insieme, ad esempio, a un cuore che batte. Tali dispositivi organici potrebbero anche essere progettati per degradarsi all'interno del corpo, in modo che si rompano e scompaiano al termine del loro lavoro.
Alcuni prodotti elettronici organici sono già disponibili nei prodotti commerciali. Ad esempio, i diodi organici a emissione di luce (OLED) possono essere trovati negli schermi di smartphone, orologi intelligenti e TV OLED. Si prevede che anche le celle solari organiche stanno per diventare un successo commerciale. Ma la comunità di ricerca ha solo scalfito la superficie del potenziale dell'elettronica organica; i progressi sono stati rallentati dalla mancanza di scoperte di materiali chiave come quella appena fatta dal team UIUC.
Schroeder ha affermato che è significativo aver dimostrato che "possiamo progettare e sintetizzare librerie di grandi dimensioni per varie applicazioni". Il documento "mostra il fatto che l'abbiamo fatto con successo per una classe di molecole per l'elettronica molecolare". Ha ammesso:"Non mi aspettavo di vedere qualcosa di così interessante in questo primo studio".
Il coautore Jeffrey S. Moore, che è Stanley O. Ikenberry Endowed Chair, professore di chimica e professore dell'Howard Hughes Medical Institute, ha riflettuto sul lavoro:"Il progresso della scienza e della tecnologia di base combinando nuove strutture con un team collaborativo è ciò che rende il Beckman Institute così speciale. Questa scoperta è la prima di molte che proverranno dal Molecule Maker Lab."
Schroeder ritiene che le strutture del Molecule Maker Lab, che offrono anche capacità di intelligenza artificiale per prevedere quali molecole potrebbero valere la pena di produrre, apriranno un nuovo approccio alla ricerca in quanto "puoi iniziare a pensare a una progettazione basata su una funzione invece che su un struttura." Mentre i ricercatori oggi potrebbero iniziare dicendo:"Ho bisogno di creare questa struttura particolare perché penso che farà qualcosa", sarà possibile dire al sistema:"Voglio ottenere questa funzione definitiva" e quindi lasciare che aiuti capisci quali strutture dovresti creare per ottenere quella funzione.
L'intento è infine quello di rendere disponibili le strutture del Molecule Maker Lab ai ricercatori esterni all'UIUC. Burke ha affermato che vorrebbe vedere il Lab "diventare un epicentro globale dell'innovazione molecolare democratizzata", consentendo alle persone che non sono specialisti in sintesi molecolare di risolvere importanti problemi di ricerca.
"Penso che questo sia l'inizio di qualcosa di veramente speciale", ha detto Burke. "Il viaggio è iniziato". + Esplora ulteriormente
